早齡期低鈣粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐變特性

趙人達(dá)，成正清，文甜，徐騰飛，原元，李健

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

與普通水泥混凝土類似，低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的抗拉強(qiáng)度僅有其抗壓強(qiáng)度的1/15～1/20，加之存在與普通水泥混凝土相似的早期收縮特性[7-8]，導(dǎo)致其早期開裂風(fēng)險(xiǎn)大，對地聚物混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命產(chǎn)生不利影響，阻礙其工程應(yīng)用。目前，對混凝土結(jié)構(gòu)早期應(yīng)力的預(yù)測及對開裂風(fēng)險(xiǎn)的評估是工程界廣泛關(guān)注的問題[9-11]，而混凝土的拉伸徐變特性是影響混凝土早期開裂的重要因素之一[12]。徐變可以使被約束混凝土的拉應(yīng)力得以松弛，緩解開裂趨勢，只有當(dāng)產(chǎn)生的凈拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，開裂才會(huì)發(fā)生[13-15]。有研究指出，粉煤灰基地聚物混凝土相比較普通水泥混凝土擁有更小的早期收縮與受壓徐變[16-17]，高溫密封養(yǎng)護(hù)同樣能夠減小地聚物混凝土的早期收縮量[18]，這無疑有利于地聚物混凝土結(jié)構(gòu)的早期抗裂，但由于目前尚缺乏對地聚物混凝土拉伸徐變特性的研究，因此仍不能全面掌握地聚物混凝土結(jié)構(gòu)的早期抗裂性，阻礙地聚物混凝土在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

通過自制混凝土拉伸徐變試驗(yàn)裝置，建立了混凝土拉伸徐變試驗(yàn)方法，進(jìn)行了低鈣粉煤灰基地聚物混凝土早齡期拉伸徐變試驗(yàn)，探討了不同初始加載齡期對其拉伸徐變的影響。同步進(jìn)行普通水泥混凝土拉伸徐變試驗(yàn)，對比兩類混凝土拉伸徐變特性。采用掃描電鏡技術(shù)(SEM)對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土及普通水泥混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測分析，以便更加深刻地認(rèn)識(shí)低鈣粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐變特性。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1)粉煤灰、礦渣及水泥 粉煤灰(FA)產(chǎn)自四川成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司，I級(jí)，45 μm篩余為7.5%，燒失量2.3%；礦渣(SL)作為鈣源，調(diào)節(jié)地聚物混凝土凝結(jié)時(shí)間并促進(jìn)其早期強(qiáng)度發(fā)展；普通水泥混凝土用水泥(C)采用拉法基P.O.42.5R水泥。粉煤灰與礦渣的化學(xué)成分如表1所示。

表1 粉煤灰和礦渣化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of fly ash and slag %

2)堿激發(fā)劑 堿激發(fā)劑采用水玻璃(Na2SiO3)與氫氧化鈉(NaOH)的復(fù)合激發(fā)劑。水玻璃產(chǎn)自廣東佛山科凝新材料科技有限公司，為無色黏稠液體，模數(shù)2.43，其檢測結(jié)果如表2所示。 氫氧化鈉產(chǎn)自四川成都科龍化工試劑廠，為純度≥98.0%的固態(tài)圓形顆粒，通過加入城市自來水配置成12 mol/L的氫氧化鈉溶液。

3)集料 粗集料采用5～16 mm連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)集料采用Ⅱ區(qū)中粗機(jī)制砂。

表2 水玻璃檢測結(jié)果Table 2 The test results of sodium silicate solution

1.2 制備方法與養(yǎng)護(hù)工藝

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 3 Mix design of LCFA-GPC and OPC kg/m3

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的制備方法與養(yǎng)護(hù)工藝：預(yù)先制備復(fù)合堿激發(fā)劑，將氫氧化鈉溶液與水玻璃充分混合；將粉煤灰、礦渣、粗細(xì)集料倒入經(jīng)過潤濕的混凝土攪拌機(jī)，攪拌90 s，使其充分混合；繼續(xù)邊攪拌邊加入復(fù)合堿激發(fā)劑，攪拌90 s；繼續(xù)攪拌兩次，每次90 s。將拌合物裝入試模并振動(dòng)密實(shí)兩次，每次120 s。試件澆筑完畢后，首先于室溫下密封靜置24 h，24 h后脫模并使用鋁箔紙包裹試件后放入烘箱，再于80 ℃密封養(yǎng)護(hù)24 h。前期試驗(yàn)研究結(jié)果表明，高溫密封養(yǎng)護(hù)可以極大地加速低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，一天內(nèi)即可達(dá)到最終強(qiáng)度的90%左右，且在高溫養(yǎng)護(hù)前先將試件于常溫靜置一段時(shí)間，可較好地解決地聚物混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展不穩(wěn)定的問題。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將試件置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。普通水泥混凝土采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.3 基本力學(xué)性能

為充分了解低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的基本力學(xué)特性、確定拉伸徐變試驗(yàn)荷載參數(shù)以及計(jì)算混凝土彈性應(yīng)變，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2002測試低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土2、7、14、28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，描繪其強(qiáng)度發(fā)展趨勢；測試2、28 d齡期的軸心抗壓強(qiáng)度和壓縮彈性模量；拉伸彈性模量則是由拉伸徐變試驗(yàn)中的彈性應(yīng)變階段推算獲得。

1.4 單軸拉伸徐變試驗(yàn)

1.4.1 試驗(yàn)參數(shù) 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土最早在2 d齡期時(shí)即具備較高的抗拉強(qiáng)度，單軸拉伸徐變試驗(yàn)的荷載水平以混凝土2 d齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度為參考，采用應(yīng)力強(qiáng)度比為0.5。普通水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度隨齡期增長，其試驗(yàn)荷載水平以各加載齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度為參考，采用應(yīng)力強(qiáng)度比為0.5。初始加載齡期分別選取2、3、4 d 3個(gè)齡期，加載至各試件達(dá)到28 d齡期時(shí)停止試驗(yàn)，研究低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的早齡期拉伸徐變特性。整個(gè)加載和持荷過程均在溫度(21±1)℃、相對濕度50%±5%的環(huán)境中進(jìn)行。

1.4.2 單軸拉伸應(yīng)變測試 為保證試件在持荷過程中截面受力均勻，設(shè)計(jì)啞鈴型單軸拉伸試件，試件拉力均勻段的截面尺寸為35 mm×70 mm，長400 mm。單軸拉伸試驗(yàn)裝置由加載裝置和測量裝置兩部分組成，通過反力架固定拉伸試件，頂部萬向安全扣保證試件處于單軸拉伸狀態(tài)，通過彈簧加載方式控制荷載穩(wěn)定，彈簧下的壓力傳感器控制荷載水平；由于荷載水平相對較低，單軸拉伸試件變形量較小，考慮到試驗(yàn)測量精度要求較高、數(shù)據(jù)采集量較大，采用應(yīng)變片測量試件平均拉伸應(yīng)變，應(yīng)變片分別粘貼于拉伸試件中部兩側(cè)，由TST3826F-L靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，采集周期為10 min。由于試件應(yīng)變增長速率隨持荷時(shí)間的增長逐漸放緩，數(shù)據(jù)處理的時(shí)間間隔可逐漸增大，試驗(yàn)初期每2 h選取一點(diǎn)，試驗(yàn)后期每0.5 d選取一點(diǎn)。拉伸徐變試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 拉伸徐變試驗(yàn)裝置 (單位：毫米)Fig.1 Test set-up of tensile creep (unit: mm)

試驗(yàn)過程中，試件外表面與空氣直接接觸，測量地聚物混凝土在單軸拉力作用下的總徐變應(yīng)變?？紤]到地聚物混凝土試件的徐變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力松弛，持荷過程中需注意調(diào)整彈簧上部螺母以保證荷載恒定。每個(gè)加載齡期的徐變應(yīng)變由3個(gè)平行試件的平均值反映，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

拉伸徐變試驗(yàn)開始前進(jìn)行預(yù)加載，獲得試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載水平下的混凝土彈性應(yīng)變，并計(jì)算其拉伸彈性模量。預(yù)加載結(jié)束后將拉力完全卸載，并重新加載至試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載，保持荷載穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。

1.4.3 非荷載作用下自由收縮應(yīng)變測試 加載過程中試件除發(fā)生徐變外，會(huì)同時(shí)發(fā)生非荷載作用下的自由收縮。為了獲得拉力作用下的徐變應(yīng)變，必須從總應(yīng)變中扣除非荷載作用下的自由收縮應(yīng)變。無荷載作用試件的尺寸、養(yǎng)護(hù)條件以及數(shù)據(jù)采集方法與拉伸試件一致。

拉力作用下的徐變應(yīng)變按式(1)計(jì)算。

εcr=εtotal-εsh-εe

(1)

式中：εcr為拉伸徐變應(yīng)變；εtotal為總應(yīng)變；εsh為自由收縮應(yīng)變；εe為彈性應(yīng)變。

2 結(jié)果與討論

2.1 早齡期基本力學(xué)性能

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土的基本力學(xué)性能及其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度發(fā)展曲線如表4和圖2所示。

表4 混凝土基本力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the LCFA-GPC and OPC

表4中：fcc為立方體抗壓強(qiáng)度；fts為立方體劈裂抗拉強(qiáng)度；fcp為軸心抗壓強(qiáng)度；Ec為壓縮彈性模量；Et為拉伸彈性模量。

圖2 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線Fig.2 Strength development curve of the

經(jīng)過高溫密封養(yǎng)護(hù)的低鈣粉煤灰基地聚物混凝土材料強(qiáng)度發(fā)展迅速，短時(shí)間內(nèi)即可獲得穩(wěn)定的壓、拉強(qiáng)度與彈性模量。如表4所示，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的普通水泥混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展明顯慢于低鈣粉煤灰地聚物混凝土，在28 d齡期時(shí)，其劈裂抗拉強(qiáng)度可基本達(dá)到與地聚物混凝土相同的水平。通過對比地聚物混凝土的壓縮彈性模量和拉伸彈性模量，發(fā)現(xiàn)其拉伸彈性模量與壓縮彈性模量基本相同，且不隨混凝土齡期而變化。

綜上，高溫養(yǎng)護(hù)可以使低鈣粉煤灰基地聚物混凝土力學(xué)性能迅速發(fā)展，在2 d齡期后可基本保持穩(wěn)定；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)普通水泥混凝土力學(xué)性能隨齡期增長變化較大。因此，在拉伸徐變試驗(yàn)階段，試驗(yàn)參數(shù)均以地聚物混凝土2 d齡期時(shí)的基本力學(xué)性能測試值為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，普通水泥混凝土以各加載齡期時(shí)的基本力學(xué)性能測試值為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定。各試件初始加載應(yīng)力如表5所示。

表5 單軸拉伸試件初始加載應(yīng)力Table 5 Initial stress of uniaxial tensile test specimens

2.2 非荷載作用下的自由收縮

為保證與拉伸徐變試驗(yàn)的最早加載齡期相同，自由收縮應(yīng)變自混凝土2 d齡期時(shí)開始測量。試驗(yàn)以2 d齡期混凝土試件為收縮初始狀態(tài)，取2 d齡期時(shí)混凝土的收縮應(yīng)變?yōu)?。低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的自由收縮應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖3 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土自由收縮應(yīng)變的經(jīng)時(shí)變化Fig.3 Time dependent change of free shrinkage

為獲取更優(yōu)的地聚物混凝土基本力學(xué)性能，采用了高溫密封養(yǎng)護(hù)方式。密封養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致試件在試驗(yàn)開始階段為含水狀態(tài)，當(dāng)試件暴露在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中后，失水迅速，發(fā)生較快速的干燥收縮，如圖3所示，其收縮應(yīng)變峰值約50 με，在7 d齡期時(shí)達(dá)到，這一值遠(yuǎn)小于常見的普通水泥混凝土的自由收縮應(yīng)變(200～700 με)。7 d齡期后，地聚物混凝土試件發(fā)生收縮恢復(fù)現(xiàn)象，28 d齡期時(shí)，基本可恢復(fù)到試件的初始狀態(tài)，個(gè)別試件甚至發(fā)生膨脹。

2.3 拉伸徐變

2.3.1 初始加載齡期對拉伸徐變的影響 采用比徐變(Specific creep)與徐變系數(shù)(Creep coefficient)進(jìn)行徐變效應(yīng)的描述。其計(jì)算方法為

C(t,τ) =εcr/σ(τ)

(2)

φ(t,τ) =C(t,τ) ·E(τ)

(3)

式中：t為混凝土齡期；τ為混凝土初始加載齡期；C(t,τ)為比徐變；σ(τ)為初始加載應(yīng)力；φ(t,τ)為徐變系數(shù)；E(τ)為初始加載齡期時(shí)混凝土的彈性模量。

如圖4所示，初始加載齡期對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變影響顯著，初始加載齡期越大，拉伸徐變越小。2 d齡期加載試件的比徐變最大可達(dá)到100×10-6MPa，3 d及4 d齡期加載試件的徐變特征較2 d齡期加載試件有明顯衰減，其最大比徐變?yōu)?5×10-6MPa和34×10-6MPa。由于2 d齡期加載的試件從高溫環(huán)境中取出后短時(shí)間內(nèi)即施加荷載，在試件降溫階段，內(nèi)部聚合反應(yīng)仍在進(jìn)行，相比較3 d和4 d齡期已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境放置至完全冷卻的試件，2 d齡期加載的試件材料處于不完全穩(wěn)定狀態(tài)，拉伸徐變變形十分明顯，且出現(xiàn)較長的線性變化段。相比較普通水泥混凝土可以看出，相同的初始加載齡期下低鈣粉煤灰基地聚物混凝土比徐變明顯大于普通水泥混凝土，但二者的拉伸徐變規(guī)律相似，試驗(yàn)初期階段比徐變增長較快，試驗(yàn)后期階段比徐變增長十分緩慢，比徐變曲線接近水平。

圖4 比徐變的經(jīng)時(shí)變化Fig.4 Time dependent change of specific

低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變應(yīng)變與初始加載齡期呈現(xiàn)出較明顯的非線性。取持荷時(shí)間為14 d的試件比徐變，其計(jì)算方法為

C14=C(τ+14,τ)-C(τ,τ)

(4)

如圖5所示，低鈣粉煤灰基地聚物混凝土在持荷時(shí)間相同的情況下，初始加載齡期越大，比徐變越小，且比徐變的減小速度也在衰減。試件在2 d齡期加載時(shí)比徐變最大，約為4 d齡期加載試件的3倍左右。與普通水泥混凝土進(jìn)行比較，初始加載齡期對兩種混凝土比徐變的影響規(guī)律相同，但地聚物混凝土的早齡期拉伸徐變明顯大于普通水泥混凝土，比較2 d齡期加載的試件，地聚物混凝土的比徐變約為普通水泥混凝土的3倍。隨初始加載齡期的增長，地聚物混凝土的比徐變減小速度更快，比較4 d齡期加載試件的比徐變，地聚物混凝土僅有普通水泥混凝土的1.5倍左右。需要注意的是，對于地聚物混凝土，高溫密封養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致其強(qiáng)度迅速發(fā)展，彈性模量也迅速穩(wěn)定，因此，對于不同初始加載齡期的試件，其比徐變與徐變系數(shù)的比值是相同的；但對于普通水泥混凝土，由于在較早齡期階段，其強(qiáng)度與彈性模量均在不斷發(fā)展，因此，在不同加載齡期情況下，其比徐變與徐變系數(shù)的比值是不同的。

圖5 低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土的比徐變對比 (持荷時(shí)間：14 d)Fig.5 Comparison of specific creep between LCFA-GPC

2.3.2 初始加載齡期對拉伸徐變增長速率的影響 為系統(tǒng)評價(jià)加載齡期對拉伸徐變的影響，定義徐變增長速率(Creep growth rate)為地聚物混凝土試件在單位持荷時(shí)間(d)內(nèi)所完成的比徐變。選取3個(gè)試驗(yàn)階段：0～3 d、4～14 d及15 d～卸載，比較其每個(gè)階段內(nèi)的平均徐變增長速率。如圖7所示。初始加載齡期對試驗(yàn)初期階段的徐變增長速率影響較大，2 d齡期加載試件的初期徐變增長速率達(dá)28×10-6/(MPa·d)。隨著初始加載齡期的增大，徐變增長速率的減小速度也在衰減。另一方面，圖4中3條比徐變曲線在試驗(yàn)后期階段互相平行，圖7中的試驗(yàn)后期階段平均徐變增長速率曲線也近乎一條無斜率直線，表明初始加載齡期主要影響試驗(yàn)初期階段的徐變增長速率，而對試驗(yàn)中期階段及后期階段的徐變增長速率影響不大。

圖6 初始加載齡期對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土拉伸徐變增長速率的影響Fig.6 Effect of initial loading age on tensile creep

2.4 微觀分析

采用掃描電鏡技術(shù)(SEM)對初始加載齡期為2 d的低鈣粉煤灰基地聚物混凝土與普通水泥混凝土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測分析，如圖8所示，可以清晰地看到地聚物混凝土界面存在尚未反應(yīng)的粉煤灰球狀玻璃體，堿激發(fā)粉煤灰產(chǎn)生的“N-A-S-H”凝膠[1]包裹在粉煤灰玻璃體周圍，形成較為致密的界面結(jié)構(gòu)，可以看出地聚物混凝土微觀結(jié)構(gòu)與普通水泥混凝土存在較明顯的差別。同時(shí)，在地聚物砂漿與骨料結(jié)合面存在交界面裂縫等缺陷，這可能是高溫養(yǎng)護(hù)導(dǎo)致的快速失水以及溫度變化導(dǎo)致的骨料、砂漿變形性能差異引起的。膠凝結(jié)構(gòu)的不同使得低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變機(jī)理與普通水泥混凝土有較大的區(qū)別，混凝土的自身缺陷也會(huì)加速受拉損傷的發(fā)展，從而導(dǎo)致了低鈣粉煤灰基地聚物混凝土在試驗(yàn)初期階段的拉伸徐變增長速率較快，相同初始加載齡期下，地聚物混凝土拉伸徐變大于普通水泥混凝土的現(xiàn)象。

圖7 掃描電鏡圖

3 結(jié)論

1)低鈣粉煤灰基地聚物混凝土經(jīng)過高溫密封養(yǎng)護(hù)后，短時(shí)間內(nèi)即可獲得較高的壓、拉強(qiáng)度與穩(wěn)定的彈性模量。其拉伸彈性模量與壓縮彈性模量幾乎相同，且不隨混凝土齡期變化。

2)初始加載齡期對低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變影響顯著，初始加載齡期越小，拉伸徐變越大。2 d齡期加載試件的比徐變明顯高于3 d和4 d齡期加載的試件，且比徐變與初始加載齡期呈現(xiàn)出較明顯的非線性。

3)低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變特性與普通水泥混凝土相似，但低鈣粉煤灰基地聚物混凝土的拉伸徐變明顯較大。試驗(yàn)初期階段的徐變應(yīng)變近線性變化，隨著持荷時(shí)間的增加，徐變增長速率迅速衰減，發(fā)展至28 d齡期時(shí)徐變增長速率幾乎為零。

4)初始加載齡期對拉伸試驗(yàn)初期的徐變增長速率影響較大，初始加載齡期越小，試驗(yàn)初期階段徐變增長速率越大；初始加載齡期對試驗(yàn)后期階段徐變增長速率幾乎沒有影響，不同初始加載齡期試件的比徐變曲線在試驗(yàn)后期階段接近平行。